看得見的無線電波——制作一個閃電探測器

看得見的無線電波——制作一個閃電探測器

60 多年過去了，盡管輝光管已經停產，有很多工程師仍然對它情有獨鐘。我用 8 塊液晶顯示屏制作了一個擬輝光管時鐘，感受復古元素的美感，表達對過去經典的敬意。

人類現代文明是建立在電的基礎上的，而人們真正開始認識、研究和利用電的歷史還不到300年。本文，讓我們一起回顧這段歷史，并通過一個閃電探測器，探索無線電波的奧秘。

有 一 種 說 法， 早 在 3000 多年前的商朝甲骨文中就出現了電的本字“申”（同“伸”），其形同閃電，意為像閃電一樣向四周伸展（見圖 1）。到了西周初期，青銅器上就已經出現了帶雨字頭的“電”，并作為電的繁體字一直沿用至今。所以在我國古代，“電”同“雷”相似，指的是閃電這一天氣自然現象。

圖 1 甲骨文中電的本字“申“

在 西 方 的 文 化 中， 電 的 詞 根electr- 源自希臘名詞 elektron（在拉丁語中寫為 electrum），意為“琥珀”。琥珀經摩擦后能吸附其他輕小物體，于是就用像琥珀一樣來形容這一吸附現象。現在我們知道這種現象與靜電有關，所以英文中的電從一開始就是用來描述與靜電相關的現象的。而閃電在英文中是 lightning，是發光的意思。古代的西方人并沒有把兩者聯系在一起，直到我們熟知的本杰明·富蘭克林在 1752 年的暴風雨中，放飛了他那只著名的風箏，才證實了閃電就是電，從而拉開了人類科學研究電的序幕。

在接下來的 100 多年時間里，人類逐漸對電有了更全面的認識。1785年，庫侖通過實驗證明了靜電相互作用的基本定律——庫侖定律；1800 年，伏特用鋅片和銅片同時放入稀硫酸中制造出了人類第一個電池，從此人們研究的興趣從靜電現象轉向了電流現象。1820 年，奧斯特和安培發現了電流的磁效應，把電與磁兩種現象聯系在了一起；1831 年，法拉第發現了電磁感應現象，從而證實了不僅電能生磁，磁也能生電；1865 年，麥克斯韋在總結前人研究成果的基礎上，揭示了電磁現象的基本規律，得到了麥克斯韋方程組，并從理論上預言了電磁波的存在；1888 年，赫茲通過實驗證實了電磁波的存在，打開了無線電這座“寶藏”的大門；1896 年，馬可尼取得了第一張無線電專利證書，5 年后，無線電波橫越大西洋，實現了歐洲與北美大陸之間的實時通信……

其中在無線電發展歷史上，赫茲實驗無疑有著非常重要的地位，是無線電從理論走向實際應用邁出的關鍵一步。100 多年后的今天，我們的生活已經充斥著各種無線電技術和應用，大到星際探索、衛星通信，小到IC 卡、遙控玩具，無線電波無處不在。盡管無線電技術五花八門，卻都離不開其作為電磁波的本質。為了更好地了解這種看不見、摸不著的神秘電波，我們不妨從最原始、最簡單的赫茲實驗出發，并通過一個閃電探測器來檢測無線電波，重溫歷史上這個重要的實驗。

如何產生無線電波

麥克斯韋方程組實際上描述了電場和磁場是如何產生的：電場不僅可以由靜止的電荷產生，也可以由時變的磁場產生；磁場只能通過電流或時變的電場來產生。變化的電場在其周圍可以激發磁場，變化的磁場在其周圍也可以激發電場，如此循環往復，二者不斷彼此激發就形成了電磁波。

早期的無線電發射都是基于火花隙放電的原理，因為在當時的條件下，這是一種比較容易實現的方式。而且當時檢測無線電波的能力也十分有限，火花放電的優點是產生的電波強度大、波長長，不易受障礙物影響，易于接收檢測，所以在當時被廣泛使用。

在科普暢銷書《上帝擲骰子嗎？量子物理史話》中，作者在第一章第一節中對赫茲實驗有詳細的描述。

它的主要部分是一個電火花發生器，有兩個大銅球作為電容，并通過銅棒連接到兩個相隔很近的小銅球上。導線從兩個小球上伸展出去，纏繞在一個大感應線圈的兩端，然后又連接到一個梅丁格電池上，將這套古怪的裝置連成了一個整體……在不遠處，放著兩個開口的長方形銅環，在開口處也各鑲了一個小銅球，那是電磁波的接收器。

赫茲實驗示意如圖 2 所示。不過，書中描述的赫茲實驗裝置需要不斷地開合開關產生火花放電，因為只有在開關打開或閉合的瞬間，電磁線圈兩端才能產生電壓。在那個沒有半導體，甚至連電子管都還沒有發明的年代，要產生連續高頻振蕩電路是十分困難的，當時人們只能使用各種斷續器來控制開關。感應線圈發射電磁波示意及其實物如圖 3 所示，加入斷續器后的火花隙放電裝置叫作感應線圈，其主體是兩個繞在鐵芯上的絕緣導電線圈，初級線圈匝數較少，與電路相連；次級線圈匝數較多，兩端與用于火花放電的兩個電極相連。鋼質彈簧片 D上端是一塊軟鐵，形成一個小錘，小錘后是一個螺釘 B。當電路中沒有電流時，彈簧片與螺釘接觸。閉合開關 S，電流流經初級線圈，再通過小錘和螺釘回到電池負極，構成閉合回路；此時鐵芯磁化，從而吸引小錘，斷開彈簧片與螺釘的接觸，電流中斷。失去電流后，鐵芯也失去了磁性，彈簧片彈回原來位置，電路導通。如此反復，彈簧片與螺釘之間可以在 1s 內通斷數十次甚至上百次。電流斷開時，次級線圈由于電磁感應會產生某個方向的感應電動勢；當電路接通時，次級線圈又會出現相反方向的感應電動勢。由于次級線圈匝數比初級線圈多很多，因此能產生上萬伏的感應電動勢，足以擊穿空氣隙產生火花放電。

圖 2 赫茲實驗示意

在圖 3 中，由于次級線圈與放電電極（可看成電容）形成 LC 振蕩電路，因此每一次通斷電路發射的電磁波應呈現阻尼振蕩（振幅逐漸衰減）的形式。

圖 3 感應線圈發射電磁波示意及其實物

如今，我們可以用更簡單的方式來產生火花放電，那就是使用直流高壓電源。這類高壓產生裝置被應用在許多生活電器中，比如像電蚊拍、電子打火器等。由于沒有線圈，無法形成振蕩電路，因此這類裝置火花放電產生的電磁波和感應線圈有很大區別。

直流高壓電源的輸出端通常并聯一個高壓電容，內部電路給電容充電，使之達到一個很高的開路電壓。當兩極間的電場強度達到擊穿空氣的臨界值時，空氣電離產生通路，電容迅速放電，電壓幾乎降為 0。接著空氣恢復絕緣狀態，電流通路關閉，電路重新給電容充電，直到再一次達到放電的要求。放電電壓與電磁波強度的對應關系如圖 4 所示，可以看到相比于火花放電的電壓瞬間變化，充電過程顯得十分緩慢。由麥克斯韋方程可知，電場變化得越快，產生的電磁波就越強。火花放電的瞬時，兩極電壓從一個很高的值突然降為 0，電場變化率極大，所以能產生一個很強的脈沖電磁波。而在其他時刻，電場變化率相比之下幾乎可以忽略，可以認為不產生電磁波。

圖 4 放電電壓與電磁波強度的對應關系，B 圖在與 A 圖同等條件下縮小了火花隙

如果縮小放電電極之間的距離，則擊穿空氣所需的電壓降低，電容在達到一個相對較低的電壓時就會放電，因此火花放電的時間間隔減小，此時產生的電磁波強度也會相應降低，如圖 4 中 B 部分所示。反之，如果電極之間距離增大，產生的電磁波也會增強。

帶電的云層和大地（或云層和云層）也可以視為一個充了電的巨大電容。當云層靠近大地，兩者之間的電場也會隨之增強，直到足以擊穿空氣產生放電現象，這就是閃電，所以閃電也會產生脈沖式的電磁波，只不過具體過程要復雜得多。一個典型的閃電形成過程如圖 5 所示，可以分為先導和閃擊兩個階段，通常會持續數十甚至上百毫秒。閃電的先導階段電流較小（約 100A），以多個分支狀伸向地面；待某個分支與地面建立起電離通道，就會出現第一次閃擊，電流可達數萬安培。當云層帶電量較多時，緊接著還會發生第二、第三次閃擊。根據圖 4 中的分析，放電的兩極相距越遠，產生的電磁波就越強。由于帶電云層與大地通常相距有數百米之遠，需要非常高的電壓才能擊穿空氣產生放電，所以閃電產生的脈沖電磁波是非常強的，閃電附近的電子設備也因此非常容易受到干擾甚至損壞。我們 80 后小時候看的電視機，雷雨天氣一定要拔下室外天線正是這個原因。

圖 5 典型的閃電形成過程

如何接收無線電

為了更形象地介紹無線電波接收原理，我們先來了解一下無線電波的形態。

盡管我們可以在數學上用麥克斯韋方程組完整地描述電磁波，但想要使之可視化，卻有著不小的困難。到目前為止，還沒有一種有效的手段可以讓電磁波完整客觀地展現在我們眼前，這也是它為何如此神秘的原因。在更多時候，電磁波的可視化都是根據需要來進行的，并不能真正代表電磁波實體在空間的分布。

電磁波的兩種可視化表示方式如圖 6 所示，它們均體現了電磁波由電和磁兩種場組成，但形式上卻有很大不同。圖 6 左側展示的是一列平面線偏振的電磁波，是電磁波最簡單的一種形態，電磁波是橫波，電場和磁場的振動方向以及傳播方向三者相互垂直。右側則主要用以說明電磁波的傳播原理，即變化的磁場產生變化的電場，變化的電場又產生變化的磁場，如此循環往復而在空間中傳播。

圖 6 電磁波的兩種可視化表示方式

下面我們利用圖像化方式來說明無線電波的接收原理。除了少數通過截取電磁波的磁場來接收信號，現在大部分的天線都是與電磁波的電場相互作用來實現信號接收的，所以這里只討論后者。

為簡化起見，圖 7 中只畫出了一列平面偏振電磁波作用于金屬桿的電場部分，在它的傳播方向上垂直放置一根金屬桿。此時金屬桿內部的自由電子會在電場作用下發生移動，形成感應電流，桿的兩端則出現感應電壓。由于電場是隨時間變化的，所以金屬桿內的感應電流和感應電壓都是交變的，變換頻率即為電磁波的頻率。

圖 7 一列平面偏振電磁波作用于金屬桿

實際上，這里的金屬桿就是一根天線，我們有很多種方法通過檢測上面的感應電流和電壓，來接收電磁波。最簡單的方法就是赫茲當年實驗所用的接收器（見圖 8 A），相當于把圖 7中的金屬桿在中間截斷并留一個很小的縫隙，當金屬桿兩端感應電壓足夠高時就會擊穿空隙產生火花放電。不過這種方法不夠靈敏，需要很強的電磁波信號，因此實驗通常需要離發射源很近。如果此時能夠在這空隙間接入兩個發光二極管（見圖 8 B），則只需要很小的感應電流就可以使二極管發光，現象更加明顯。收音機是一個把電磁波信號轉化成聲音的裝置，因此我們也可以用它來檢測無線電波。在《如影隨形：無處不在的無線電波》一書中，作者描述了一個“硬幣電池”的實驗（見圖 8 C）：

準備一個新的 9V 電池和一個硬幣，然后找一臺收音機，調到只能聽到靜音的位置（將收音機調至長波波段效果最佳）；再拿著電池靠近天線，并用硬幣迅速敲打電池兩極，使電池在一瞬間發生短路，這時收音機揚聲器會發出“噼啪”聲。

圖 8 幾種檢測無線電波的簡易方式

這里的電池和硬幣就組成了一個無線電發射器，只不過發出的信號比較弱，需要靠近天線并借助收音機的信號放大功能來實現檢測。

上述只是一些驗證無電線波存在的簡易方法，如果覺得這些方法都不夠直觀，那么接下來我們要制作的閃電探測器一定能滿足你看見無線電波的愿望。

制作一個閃電探測器

如果對圖 7 中金屬桿一端的感應電壓進行快速采樣，就能獲取電磁波在沿天線方向上的電場強度信息，從而繪制出電磁波的電場變化曲線，這在一定程度上反映了電磁波在該方向上的形狀。

用單片機對電壓信號進行高速采樣并不困難，為簡單起見，這里用到一塊 Arduino UNO 開發板，它上面自帶模擬輸入端口（10 位模數轉換器），可以直接用于讀取 0~5V 的電壓。閃電探測器接線示意如圖 9 所示，用Arduino UNO 的 A5 端口采集電壓信號，由于此類端口只能讀取正電壓，所以需要用兩個 10 kΩ 電阻建立分壓電路，使電壓讀數在沒有外界輸入時為 2.5V。圖 9 中阻值分別為 1MΩ和 3MΩ 的電阻處于天線與分壓電路之間，起到隔離作用，其阻值越大，裝置接收信號的靈敏度就越高。選擇開關決定隔離電阻值是 1MΩ 還是4MΩ，選取后者時的信號大小為前者的 3~5 倍。

圖 9 閃電探測器接線示意

為了正確還原電磁波信號，需要確保較高的測量采樣率。對于一個頻率為 6kHz 的電磁波，至少需要其 4倍 的 采 樣 頻 率， 即 24000 次 / 秒 才能還原其基本波形。而 Arduino UNO的模擬端口默認只能給出 9600 次 / 秒的 采 樣 率， 所 以 需 要 使 用 ATmega的 Prescaler 功能（這里設置參數為16），這樣就可以使采樣率最高達到77000 次 / 秒。當然單片機還需要進行其他運算，所以實際上能達到的采樣率會低一些。

為了顯示采集到的電壓信號曲線， 我 們 采 用 一 塊 驅 動 型 號 為R61509 的 4.0 英 寸 LCD 液 晶 顯 示屏，分辨率為 240 像素 ×400 像素，它以擴展板的形式直接安裝在 Arduino UNO 開發板上的插槽上（見圖 10）。該顯示模塊并沒有用到 Arduino UNO的 A5 端口，在安裝之前應剪去擴展板上對應 A5 的插針，使兩者斷開。

圖 10 Arduino UNO 開發板與液晶顯示屏模塊組合

由于液晶顯示屏橫向有 400 個像素，為使作圖時每一個像素對應一個電壓數據，程序用一個 400 字節的數組來存儲 A5 端口的電壓數據。采集完 400 個數據后會進行判斷，如果這組數據中有兩個相鄰數值相差超過一定大小（此處設為 75mV），就會把這組數據完整地繪制在液晶顯示屏的坐標上，同時蜂鳴器發出蜂鳴。這樣只有當檢測到信號有突變時，顯示屏才會更新數據，克服了顯示屏更新慢的缺點，同時也避免了其他微小信號的干擾。

我們使用一塊 3.7V 的鋰離子電池作為電源，并為其配備了充放電管理模塊，同時使用一塊直流升壓板將鋰電池電壓升至 5V 為 Arduino UNO開發板供電。最后，將各元器件裝入大 小 為 158mm×90mm×46mm 防水盒中，并安裝電源開關，一個簡易便攜的閃電探測器（見圖 11）就完成了。

圖 11 閃電探測器

探測無線電波

前面我們學習了無線電波產生和檢測的基本原理，現在就到了驗證的時刻。

首先，我們來檢測一下赫茲實驗中感應線圈發出的電磁波到底長什么樣子。調節感應線圈的火花隙到合適的大小，用一個 12V 的直流電源為其供電。打開開關的瞬間，小錘開始來回振動，電極之間出現類似閃電的電弧。此時探測器的蜂鳴器發出連續蜂鳴，液晶顯示屏上顯示出一幅波形圖。關閉感應線圈電源，顯示屏則停留在最后一次有效數據上，感應線圈產生的電磁波信號如圖 12 所示。

圖12 感應線圈產生的電磁波信號

雖然每一次放電產生的電磁波信號不盡相同，但整體都呈振蕩衰減的形態，與我們前面的分析一致。除了主要的信號波形，探測器還檢測到一些小的尖峰，這些信號主要來自彈簧片與螺釘之間分合所產生的電火花。當然實驗并非理想狀態，實際過程中還會出現許多隨機的干擾信號，在此不一一討論。

除了感應線圈，直接使用直流高壓電源也可以產生火花放電。由于缺少感應線圈，這類放電實際上是高壓電容的直接放電，無法產生振蕩。直流高壓電源產生的火花放電如圖 13 所示，將一個高壓直流電源的輸出接在放電小球上，可以看到，圖中小球間距較大時，產生的脈沖電磁波峰值也較大，時間間隔較長；當小球間距縮小時，產生的脈沖電磁波峰值變小，時間間隔也縮短了，這與圖 4 的分析結果一致。由于直流高壓電源是由內部的振蕩電路升壓產生的，電路本身也會發射高頻電磁波，因此我們能在顯示屏中的脈沖波形上看到細小的紋波。

值得注意的是，圖 13 中的脈沖電磁波是有方向的，圖中紅色接線鉗代表正極，黑色為負極，此時產生的脈沖處于零點上方，具有正值；而如果交換電極正負接線，則脈沖也會相應反轉，具有負值，如圖 14 所示。

圖 13 直流高壓電源產生的火花放電

圖 14 交換接線正負極后產生的脈沖電磁波

圖 15 生活中的無線電波

除了上述兩種實驗裝置，我們在生活中也檢測到了不少類似電磁信號。生活中的無線電波如圖 15 所示，打火機的壓電陶瓷點火器在每次點火時都會產生一個脈沖電磁波；電蚊拍在捕獲到蟲子時，也會有火花放電產生電磁波；輝光球也會產生電磁波，由于輝光球是一種高頻高壓裝置，它的頻率已經超出了探測器的分辨率，所以顯示為一片噪聲。不過從顯示屏顯示的信號來看，盡管探測器離輝光球有數米之遠，所接收到的電磁波還是非常強的，說明這類產品具有很強的電磁輻射，在使用過程中應避免與精密電子產品發生長時間、近距離的接觸。

遺憾的是，從制作完成至今近一年的時間里，我們并沒有捕捉到閃電產生的無線電波，主要是因為我們所在的城市雷雨天氣并不多，其間僅有的兩三次雷雨天氣，還因為沒有把探測器帶在身邊而錯過了。所以至今仍不知道閃電產生的電磁波是什么樣子、不同閃電產生的波形有何差別。但可以肯定的是，閃電產生的無線電波中包含了很多關于閃電形成過程的信息，具有一定的研究價值。最后把這一懸念留給各位讀者，期待大家一起去探索和發現。